第3章 医用超声换能器与探头

第3章 医用超声换能器与探头

超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和接收反射超声波(回波)的，它是诊断设备的重要部件。高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动又可以通过探头转换为电脉冲。也就是说探头能将电能转换成声能，又能够将声能转换成电能，所以探头又称作超声换能器。其原理来自于晶体的压电效应。

§3.1压电效应

压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应（图3-7）。

图3-1晶体的压电效应

具有压电效应性质的晶体，称为压电晶体。目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体，把毛坯烧结成陶瓷体后，经过适当的研磨修整，

得到所需的几何尺寸，再用高压直流电场极化后，就具有压电性质，成为换能器件。

3.1.1正压电效应

在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷；形变方向相反，电荷的极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷的效应，称为正压电效应，如图3-7(a)。

3.1.2逆压电效应

在晶体或陶瓷表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体或陶瓷几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，称为逆压电效应，如图3-7(b)。

一般情况下，压电效应是线性的，然而，当电场过强或压力很大时，就会出现非线性关系。

晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸的不同，产生机械振动的固有频率也不同，当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。

§3.2压电换能器的特性

压电换能器的特性参量很多，现只简单介绍以下3种。

3.2.1频率特性

压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有其固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生

最大电信号。另一方面，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应则应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电晶体获得最大形变振动，通过介质产生超声波输出。实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。

如果对压电晶体施加一定值的电压，改变所加电压的频率，回路电流或阻抗将随其变化，当电压频率为某一频率F m时，电流出现最大值I max，当电压频率为另一频率F n时，电流出现最小值I min。压电晶体的电流随频率而变化的现象（见图3-8），说明了压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率而变化的量。如果继续增加电压的频率，还可以发现有规律地出现一系列电流的波动，且波动的最大值(对应F m1、F m2…)是依次减小的，而波动最小值(对应F n1、F n2…则是依次增大的，F m称为压电振子的最小阻抗频率(又可称为最大传输频率)；Fn称为最大阻抗频率(又可称为最小传输频率)。

图3-2压电晶体的电流-频率特性

3.2.2换能特性

换能器的换能特性包括两个方面：电能－机械能－超声能，超声能－机械能－电能。前者属于发射过程，后者属于接收过程。能量间转换必然产生损失(产生了无益的能耗)，以转换效率来表征换能器这一性能：

电机转换效率=输出的机械功率／输入的电功率

机声转换效率=辐射的超声功率／输入的机械功率

因此：

电声转换效率=辐射的超声功率／输入的电功率

3.2.3暂态特性

超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态，换能器对脉冲的响应速率称为暂态特性，这也是一项重要指标。换能器的暂态特性与其频率特性是有关系的，简言之，换能器的频谱越宽，它的暂态特性也越好，可允许的超声脉冲的宽度越窄。在这里，所描述的脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度，单位是秒(s)，它与频率（超声波每秒振动的次数）是不同的。

§3.3换能器的声场

弹性媒质中超声能量传播的空间称为超声场，不同的超声振元，以及不同的传播条件会形成不同的超声能量的空间分布。了解超声场的性质和分布特点，对超声诊断和治疗仪器的设计与应用十分重要。

生物组织本身不是一个均匀的各项同性介质，不同的脏器组成成分也不尽同。在超声传播过程中，由于反射面的不光滑会产生反射、折射和散射等现象，因此声场的分布会变得非常复杂，描述生物组织内超声场是极其困难的。为了讨论方便，这里只研究最简单的平面圆形换能器所产生的辐射声场的一般规律。

图3-3平面圆形换能器

在一般工程中，平面圆形换能器应用很广泛，如图3-3所示。假设其表面是活塞振动面，可以把它看成有无数个频率、振幅和相位相同的点声源ds组成。

因此求出各个声源所发出的声波在观察点B 点所产生的声压贡献，通过积分就能求出这一点的总声压。

根据惠更斯（Huygens ）原理，B 点的声场可以看作是平板换能器上所有像ds 一样的面积作为声源发出的球面波在B 点的合成。因此，都是以同样的

t u u ωcos 0=

那么点源ds 在B 点产生的声压为：

01cos(22

kZu dp t kr ds r πωπ′=−+ 式中λπ/2=k 为波数，Z ＝ρ0c 0为声波传播媒质的特性阻抗。

整个平板换能器在P 点产生的合成声压应为：

20000cos()2R S t j u p dp d d ππ

ωωρρρθπ−+==∫∫∫ 1. 圆形换能器的轴向声场特性

分析声轴上的情况，平面圆形半径为R ，此时0ϕ=，z r =。

r ′=

则，B 点的声压为

2000cos()(,)2R t kZu p z t d d r ππ

ωρρθπ−=′∫∫ 即

)](2sin[)(2sin 2)]

cos()[cos()]

2sin()2[sin(),(22220220220z z R k t z z R k Zu z R k t kz t Zu kz t z R k t Zu t z p ++−−+−=+−−−=+−−++−−=ωωωπ

ωπ

ω

仅考虑幅值，所以声压的振幅与轴向距离z 的关系为：